闭式潜水呼吸器中2.4 L钛合金球形气瓶的研制

刘平小，方以群，顾靖华，柳初萌，廖昌波，高文顺，蒋文冬

闭式潜水呼吸器(closed circuit rebreather, CCR)具有水下呼吸时间长、呼吸气体使用效率高和几乎不产生气泡的优点，携带的呼吸气体有氧气和稀释气(氮氧混合气)，设计时要求气瓶外形尺寸小、质量小、容积大，内置于防护壳体内。传统的潜水圆柱状铝、钢和碳纤维气瓶大多数外置悬挂，外形尺寸大、质量大、相对容积小，无法满足闭式/半闭式潜水呼吸器设计需求。

钛合金材料(TC4)具有密度小、磁性弱、抗蚀性好、化学活性大和强度高等优点，密度为4.5 g/cm3左右，仅为钢的60%，在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。因此，选用该材料制造闭式/半闭式潜水呼吸器的气瓶，要求可重复充装对钛合金具有化学稳定性的永久气体(空气、氧气、氦气、二氧化碳等)，具体技术要求见表1。

表1 2.4 L钛合金球形气瓶技术要求

1 原材料

根据QJ 1654[1]的规定，选用的原材料为TC4钛合金，其化学成分应符合GB/T3620.1[2]，并有相应批次材料的材质证明书。经过时效热处理后，应达到如下力学性能指标要求：抗拉强度为890 MPa；屈服强度为983 MPa；断裂伸长为6%。

2 气瓶结构计算与设计

2.1 安全系数

按QJ1654规定强度极限进行气瓶设计，并规定强度安全系数为nb=1.5～2.0，而具体数值根据实际使用情况自行确定。潜水气瓶中较为普遍的是铝合金气瓶和钢瓶，依据GB/T11640[3]，铝合金无缝气瓶的安全系数一般取值2.1～2.4。同理，依据GB5099[4]钢质无缝气瓶的强度安全系数为2.3～2.5。所以，本钛合金球形气瓶作为潜水气瓶使用，其材料力学性能指标远大于铝合金和钢，故取强度安全系数为2进行相关的设计计算。

2.2 设计计算

2.2.1 内径计算 根据技术要求的规定，气瓶采用球形结构。根据容积要求，对气瓶的内径进行核算：

(1)

式中：Di为气瓶内径，单位为mm；

V为气瓶容积，单位为mm3，取值2.4×106mm3(即2.4 L)。

2.2.2 壁厚计算 依据QJ1654标准，则气瓶的壁厚为：

(2)

式中：S为气瓶壁厚，单位为mm；

P为气瓶最高工作压力，单位为MPa，取值30 MPa；

Di为气瓶内径，单位为mm，取值165.82 mm；

σb为抗拉强度，单位为MPa，取值890 MPa；

nb为强度安全系数，取值2；

φ为焊缝系数，取φ=0.85。

2.2.3 螺纹计算 本气瓶瓶嘴采用常规潜水呼吸器气瓶的M18×1.5-6H螺纹瓶嘴结构，如图1所示。

图1 瓶嘴结构

根据潜水呼吸器气瓶的一般规定，水压试验压力条件下瓶口螺纹的剪切安全系数应不小于10。与气瓶连接的瓶阀外螺纹一般采用M18×1.5-6g，根据螺纹标准，M18×1.5螺纹的牙型角为60°，则相关参数如表2、3所示。

表2 瓶口螺纹尺寸(mm)

表3 阀门螺纹尺寸(mm)

内螺纹牙的受剪面积An：

(3)

最大轴向外载荷Fw：

Fw=PA=45×3.14×18.02÷4=11 445.3 N

(4)

(5)

螺纹剪切应力安全系数：

(6)

因此，当瓶嘴螺纹牙数不少于5时，水压试验压力条件下胆嘴螺纹剪切应力安全系数>10，满足要求。

2.3 结构设计

根据上述计算结果，取的设计参数如下：气瓶内径165.82 mm，壁厚3.35 mm，瓶口螺纹M18×1.5-6H，完整螺纹牙数≥6。

气瓶仅设计一个瓶口，气瓶简图如图2所示。

图2 2.4 L钛合金球形气瓶结构图

在气瓶瓶嘴处的圆柱面加工出2个对称的凹槽，以方便利用扳手装卸瓶阀。经测算，气瓶参数符合对外形尺寸和质量的技术要求，结果如下：气瓶外径172.5 mm，气瓶长度200 mm，气瓶质量1.9 kg。

3 工艺

结合高压气瓶及钛合金加工生产经验，并从降低气瓶批量生产成本考虑，2.4 L钛合金球形气瓶采用钛合金板材经压力成形出2个半球，利用钛合金棒材机械加工出气瓶嘴，然后将气瓶嘴、2个半球焊接而成球形气瓶的工艺方案，如图3所示。

图3 2.4 L钛合金球形气瓶工艺流程图

当温度超过350 ℃时，TC4钛合金塑性、韧性等性能会发生较大变化，合金的性能很大程度上依赖于热处理[5]。因此，在加工和焊接过程中应严格控制温度，要采取措施抑制其温度升高。焊接时，焊缝区结构和焊接工艺对气瓶的安全性和疲劳循环寿命有极大的影响，在焊缝区应进行补强设计，降低焊缝处应力水平，对近焊缝区进行平滑变厚度设计，提高气瓶壳体的应变协调[6]。在2.4 L钛合金球形气瓶工艺设计中，进行了结构优化设计和焊接工艺改进，确保其焊接接头质量和力学性能，使应力水平较低，不会导致应力集中。同时采用了真空热处理炉进行热处理，使TC4钛合金的微观组织和力学性能没有产生异变[7]。

TC4钛合金在焊接时，易产生气孔和形成冷裂纹，焊接接头易粗化、脆化[8]。为了增强2.4 L钛合金球形气瓶的强度，经过对本体打磨、抛光和超声波等表面处理后进行等离子渗碳，提高硬质膜层和基体的匹配性，增强其抗冲蚀性能[9]。

4 试验

按照QJ1655[10]，钛合金球形气瓶应进行气密性、强度、疲劳和爆破试验。气瓶逐只进行工作压力(30 MPa)下的气密试验和1.5倍工作压力(45 MPa)的水压强度试验，每批气瓶中抽取1只气瓶进行疲劳试验，抽取1只气瓶进行爆破试验，并应满足相关试验要求。

水压强度试验压力按QJ1654-89 9.1 ，强度试验压力Pa=(1.4～1.6)P，P=30 MPa，取值1.5，即强度试验压力为45 MPa，保压60 s，残余变形<5%。疲劳试验次数为6 000次，疲劳试验介质为液压油，抽样进行。爆破压力按照工作压力为30 MPa，爆破强度系数2.5～3.0，因此爆破压力取值90 MPa。考虑到实际爆破值可能远高于90 MPa，在 90 MPa时保压30 s，不破裂为合格，后期升压至爆破为止，实际爆破压力值为102.6 MPa，爆破试验介质为纯净水或自来水。